人眼像差的数学表示及主观式波前像差测量仪的设计与应用

本文详细介绍了一种新型主观式波前像差仪的工作原理,具体地阐述了主观式波前像差仪的光路控制系统、瞳孔自动跟踪系统以及计算机软件控制系统,并给出了像差仪的结构原理图以及程序控制流程图。同时介绍了主观式波前像差仪中用于定量描述波前像差的两种方法:Zernike多项式和波前像差图。主观式波前像差仪能精确地测量出人眼的低阶和高阶像差,其应用前景广阔。     

具有主观视觉补偿的人眼像差测量方法

为了准确测量人眼的各种低阶像差以及不规则的高阶像差,采用具有主观视觉补偿的人眼波前像差测量方法,进行了理论分析及实验验证,在客观测量的同时进行了主观视觉补偿,得出了测量的准确数据。结果表明,主观视觉补偿测量的波前像差小于客观测量的结果,被测者在观察视标时的适应性调整减小了波前像差,并且对于观察不同的视标时,波前像差的波动值较小。采用主观视觉补偿的测量方法,考虑实际观察目标时眼睛的状态,能够很好地对人眼像差进行补偿,得到符合实际状态的眼像差,这对制定人眼像差的治疗方案是非常有帮助的。     

应用Hartmann-Shack原理测量人眼波前像差的系统研究

分析波动光学中人眼像差的产生机理和波前像差的表示方式,着重讨论了Hartmann-Shack波前传感器测量波前像差的原理,结合自适应光学中Zernike多项式重建波前的理论,提出了应用H-S波前传感器测量人眼波前像差的解决方案,使得由波前像差引导的人眼视觉矫正技术能达到一个新的水平。     

主观式人眼波前像差仪中图像处理与自动跟踪的研究和实现

人眼像差的矫正是目前眼科界的研究热点之一,对于提高人眼视觉质量具有十分重要的意义,人眼像差的测量是像差矫正的基础。本文研究了主观式波前像差测量仪的测量原理,并对其中的图像采集、图像处理、图像的Ostu法阈值分割,自动跟踪等关键技术进行了研究。采用本文研究的关键技术自行研制出的主观式波前像差仪能精确地测量出人眼的低阶和高阶像差,测量结果可达7阶35项,其应用前景广阔。     

基于Hartmann-Shack传感器的人眼离轴像差测量研究

人眼是一个不完善的成像系统,存在着各种像差,包括轴上像差及轴外像差, 这些像差都会影响视网膜的成像质量。而现阶段大多数人眼像差的检测方法主要针对轴上视场像差的测量,比如离焦、像散以及部分高阶像差的测量。因此提出了基于Hartmann-Shack波前传感器的人眼离轴像差的测量方法,建立测量系统并进行实验研究,当离轴角度从0°偏离到左右各5°、10°时,均方根（RMS）值分别从1.12变化到1.36（1.52）,1.41（1.96）,结果表明随着离轴角度的增加人眼外围视野的成像质量显著下降,原因一方面是人眼离轴像差的增大,另一方面是由于外围视野的感光细胞密度降低。     

人眼波前像差及准分子激光手术矫正的研究

波前像差严重影响了人眼正常的视觉质量,引入Hartm ann-Shack波前传感器可有效地测量人眼的各阶像差,结合自适应光学中Zern ike多项式重建波前的理论。建立人眼波前像差和角膜切削量模型的关系模型,利用准分子激光发射的激光脉冲去除定量的角膜组织,从而改善人眼视觉质量。应用表明,人眼像差测量和由像差引导的准分子激光手术矫正具有明显的临床医学价值。     

波前像差引导准分子激光角膜消融的研究及实现

波前像差引导的准分子激光角膜消融是屈光手术的新方法 ,本文研究目的用像差来引导屈光手术 ,使人眼的视力能够达到 2 0 / 10以上 ,并避免当前PRK、LASIK屈光手术前后像差增大而引起的对视觉质量的影响。分析人眼像差的概念和产生的原因 ,并用Zernike多项式表示 ,理论上定量地分析了Zernike多项式表示的波前像差与角膜切削深度的关系 ,研究了准分子激光切削角膜的机理 ,给出了准分子激光人眼像差矫正系统的原理框图 ,达到了矫正人眼像差的目的。     

小型化人眼像差校正仪光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,需要实时校正人眼的动态变化像差,尤其是高 阶像差.设计了一套基于液晶空间光调制器的小型化人眼像差实时校正光学系统.该光学系统分别采用夏克-哈特曼波前传感器和液晶空间光调制器来探测和校正波前畸变.探测光采用790nm近红外光,成像光采用570nm可见光.系统设计尽量少采用透镜,减小了系统的体积、光能损失和系统自身可能引入的像差.使用开环模式可以提高光能利用率和系统的稳定性,而双波长模式可以增大视场,实现不同波长的成像,而且可以实现瞬间强曝光成像.用ZEMAX软件对光学系统进行模拟分析,表明该系统可以达到衍射极限的水平,MTF=0.5@31 cycles/mm(对应视网膜上4μm),MTF=0.3@48 cycles/mm(对应视网膜上2.6μm).实验结果证明:该系统光能利用率高,杂光干扰小,方便灵活.     

基于信息融合的人眼波前像差测量

设计并实现了结合客观和主观的方法测量人眼波前像差.建立了主客观结合的人眼波前像差测量系统,客观测量在瞳孔自然扩大时通过4.8 mm人造瞳孔进行测量,主观测量是在被测者观察视标的过程中进行.实验获得了活体人眼主客观测量的像差,两种方法的测量结果在特征级进行加权信息融合,这种方法结合了主客观测量的特点,能够较准确反映出人的视觉质量,为个性化的人眼视觉矫正提供更合理的指导.     

穿越流场激光像差特性的动态测量——H-S波前传感器方法

用H-S(Hartmann-Shack)波前传感器可以精确测量穿过超声速流场的激光动态波面及其变化过程,进一步计算还可以获得光束质心漂移、远场分布等数据。讨论了利用H-S波前传感器测量穿过超声速流场激光波面的原理,并采用模式法进行波前重构,得到了在几种流场条件下的激光波面像差特性如PV和RMS、各阶Zernike像差系数,环围能量分布和Strehl比等。结果表明,采用H-S传感器进行测量、并用模式法进行波前重构可以较好反映流场建立、稳定和结束过程中各阶Zernike像差的变化。比较无流场和给定参数的超声速流场,激光穿越后产生的最明显变化为离焦A3和低阶像散A5的增大。     

非圆孔径离散采样点正交多项式波前拟合

Zernike多项式拟合是一种在光学领域中广泛应用的分析技术.由于现代光学工程中采集数据的离散性和非圆孔径系统的大量使用,Zernike多项式拟合不能完全满足分析需要.提出了一种基于Zernike多项式的非圆孔径离散采样点的正交多项式.通过矩阵的QR分解方法得到在离散采样点上的正交多项式基底.分别使用Zernike多项式和正交多项式对150 mm90 mm的矩形光栅反射波前进行拟合,结果表明两种方法残差波前的PV和RMS值分别相差0.013波长和小于0.001波长.对比不同项数拟合的正交多项式和Zernike多项式系数表明,正交多项式系数之间彼此独立,并由正交多项式系数计算得到了对应的Seidel像差.正交多项式各项系数可以逐项求解,该方法可以显著提高求解速度.     

基于液晶空间光调制器的相位差波前探测技术定量研究

为了定量研究相位差波前探测技术(phase diversity technique,PD)对波前探测和图像重建的精度,本文分别进行了数值模拟以及相关实验。数值模拟中采用了均方根(root-mean-square,RMS)分别为0.1λ~0.5λ的五组随机畸变波前,获得其退化的焦面图像和相应的离焦图像信息,利用PD技术对其进行波前探测和图像重建,波前探测的残余误差RMS值均达到了10~(-5)λ水平,重建图像在分辨率和对比度上有明显提升。搭建了基于液晶空间光调制器的实验系统,利用液晶空间光调制器来定量施加随机的波前像差,可以有效解决湍流屏数据难以量化的问题。同样将PD技术应用于本实验所采集到的退化焦面图像和相应离焦图像,对于RMS值为0.306λ的随机波前像差,探测波前的残余误差为0.091λ,图像重建结果与模拟结果高度一致,本文列举并分析了可能造成实验误差的多种因素,同时为该技术应用于液晶系统积累了技术基础。     

Measurement of wave-front aberrations in high-resolution opticallithographic systems from printed photoresist patterns

A new method of measurement of wave-front aberrations in high-resolution optical lithographic systems used for semiconductor manufacturing is proposed. The method is based on the measurement of the positional shifts and focus offsets of a set of printed photoresist grating patterns with different periods and orientations, produced under nearly fully coherent illumination condition. The proposed experimental procedures are described in detail and various sources of systematic and random errors are discussed. It is estimated that a measurement precision of λ/50 for the wave-front aberrations at selected points on the lens pupil can be achieved with this method     

星载激光通信载荷高体分SiC/Al主镜及支撑结构设计

为了降低激光通信载荷在轨工作中空间环境对于光学系统的影响,提高通信质量以及跟踪精度,使用综合性能较好的高体分SiC/Al作为主镜材料,并通过有限元分析确定了主镜结构的几个重要优化参数。提出了一种一体式主镜柔性支撑,该结构避免了使用不同材料支撑组件线膨胀系数不匹配而产生的应力集中,提高了主镜面形的温度稳定性,并在此基础上降低了主镜及其支撑的总体质量,实现了光学系统的轻量化。仿真分析表明,该结构在重力释放条件下,主镜面形误差PV值为/52,RMS值为/275。工作环境发生4℃温度变化的情况下,主镜面形误差PV值为/11,RMS值为/71。主镜及其一体化支撑基频为208 Hz,主镜单独轻量化率为55.3%,进行一体化设计后主镜及支撑相比传统设计轻量化率为19.87%,能够满足总体指标要求。     

基于自适应光学的大气光通信波前校正实验

为了缓解大气光通信中由于大气湍流的影响而产生的波前畸变、反射等严重影响通信质量的现象,文章采用了自适应光学技术,即对畸变波前进行重构后再利用反射变形镜进行修正的方法,从理论分析、实验研究方面开展了自适应光学修正传输波前的研究工作。研究结果表明：在相同实验条件下,在保持链路误码率定量为（1×10-6）时,使用自适应光学技术比不使用时系统发射功率减小了50%。在近地大气激光通信中,自适应光学技术在增加系统增益,减小系统误码率方面效果显著。     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

阵列透镜测量仪的设计与应用分析

为了解决500mm以上大口径光束波前的实时测量问题,设计了一种波前测量系统,即透镜阵列测量仪,其最大优点是避免了现有的H-S波前传感器所面临的大口径缩束器的加工难题。介绍了该测量系统的组成结构及其测量原理,分析了测量系统在设计中的参数选择,并根据具体的系统参数讨论了测量系统的检测性能。在此基础上,利用数值模拟对1200mm口径光束进行了波前测量的仿真实验研究,分析了测量过程中系统标定对透镜阵列测量仪的作用。仿真实验表明,透镜阵列测量仪能够实现大口径光束的波前探测。     

方形孔径自由曲面反射式系统装调技术研究

针对方形孔径自由曲面反射系统,构造方形域上正交多项式用于波前解析,得到方形孔径系统波像差系数。在计算机辅助装调阶段,为确保装调结果准确,用方形域上正交多项式和光学设计软件来建立系统的灵敏度矩阵,结合自准直干涉法得到的多个视场得波像差来求解系统失调量;在多次迭代后得到系统平均RMS为0.164 1(632.8 nm)实测系统平均传递函数达到0.453 4的理想结果;证明该装调方法正确性,并适用于其他形状孔径自由曲面离轴反射系统式系统装调。